農(nóng)業(yè)廢棄物基生物炭的應(yīng)用效應(yīng)研究進(jìn)展

杜蕙 蔣晶晶 漆永紅

摘要：生物炭因結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)獨(dú)特、原材料豐富及應(yīng)用前景廣闊等特點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)及環(huán)境污染治理等領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛。基于相關(guān)文獻(xiàn)，綜述了農(nóng)業(yè)廢棄物基生物炭在改善土壤理化性質(zhì)、提高土壤養(yǎng)分、改善土壤微生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)作物生長(zhǎng)、修復(fù)污染土壤及緩解連作障礙等方面的效應(yīng)，旨在為農(nóng)業(yè)廢棄物基生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)廢棄物；生物炭；連作障礙；應(yīng)用效應(yīng)

中圖分類(lèi)號(hào)：X71；S141.4? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2097-2172（2024）03-0203-05

doi：10.3969/j.issn.2097-2172.2024.03.002

Research Progress on Application Effects of Agricultural Waste Biochar

DU Hui 1， 2， JIANG Jingjing 1， 2， QI Yonghong 1， 2

（1. Institute of Plant Protection， Gansu Academy of Agricultural Sciences， Lanzhou Gansu 730070， China; 2. Scientific Observing and Experimental Station of Crop Pests in Tianshui， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Tianshui Gansu 741000， China）

Abstract： Biochar has been widely used in agriculture and environmental pollution improvement due to its unique structure， physical and chemical properties， abundant raw materials and broad application prospects. In this paper， the application effects of agricultural waste biochar on improving soil physical and chemical properties， enhancing soil nutrients， improving soil micro-ecological environment， promoting crop growth， recovering polluted soil， and relieving continuous cropping obstacles were reviewed. The future application prospects were also expected， aiming to provide reference for application and extension of agricultural waste biochar in agriculture.

Key words： Agricultural waste; Biochar; Continuous cropping obstacle; Application effect

生物炭最早源于南美洲亞馬遜盆地一種人造的富碳黑土［1 ］，有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征（疏松多孔、比表面積大、具有高度羧酸酯化和芳香化結(jié)構(gòu)等）和富碳性能（含碳量70%左右）［2 ］。農(nóng)業(yè)廢棄物基生物炭是以農(nóng)業(yè)廢棄物（如作物秸稈、谷殼、稻殼、花生殼、蔗渣）為原料，在高溫缺氧條件下熱解形成的一種高碳物質(zhì)［3 ］。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，在我國(guó)每年產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)廢棄物中，僅農(nóng)作物秸稈就有9億t以上［4 ］，傳統(tǒng)的處理方式一般為焚燒或直接還田，焚燒易造成嚴(yán)重的空氣污染和資源浪費(fèi)，直接還田在北方地區(qū)秸稈不易腐爛，易造成有害生物在土壤中的累積而加重土傳病害的發(fā)生，且這種方式對(duì)土壤改良的有效期較短。將農(nóng)業(yè)廢棄物如秸稈等制備成生物炭還田無(wú)疑是改良土壤和實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用的有效方式。同時(shí)，生物炭可以將溫室氣體轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的碳儲(chǔ)存在土壤中，是大氣中的碳封存的重要方式。在全球受氣候變暖、生態(tài)環(huán)境惡化、能源和糧食短缺等威脅的背景下，將農(nóng)業(yè)廢棄物以生物炭的形式用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，對(duì)提高耕地地力、增加作物產(chǎn)量，促進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展和實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。

1? ?生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用效應(yīng)

1.1? ?增加土壤養(yǎng)分， 提高作物產(chǎn)量

生物炭的性質(zhì)決定了其本身富含碳和其他營(yíng)養(yǎng)元素，施入土壤可增加土壤有機(jī)碳及其他養(yǎng)分含量［5 - 6 ］。同時(shí)，生物炭具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，吸附能力強(qiáng)，施入土壤后可調(diào)節(jié)土壤pH和土壤吸附和釋放陽(yáng)離子的能力（Cation Exchange Capacity，CEC）［7 - 8 ］，改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤肥力，增加作物產(chǎn)量［9 - 10 ］。Vaccari 等［11 ］研究發(fā)現(xiàn)，在種植小麥的土壤中施用一定量的生物炭可顯著增加小麥產(chǎn)量。另有研究者發(fā)現(xiàn)，在玉米田施用生物炭提高了土壤氮含量，土壤肥力提高，玉米產(chǎn)量增加［12 - 13 ］。楊彩迪等［14 ］經(jīng)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，施入生物炭后土壤中有益陽(yáng)離子（如K+、Ca2+等）含量提高，而Na+含量降低，有機(jī)質(zhì)、磷含量均不同程度增加，種植的水稻、油菜和玉米產(chǎn)量均有提高。有學(xué)者在種植中藥材、煙草、黃瓜的土壤中施用生物炭后，發(fā)現(xiàn)土壤理化性質(zhì)及酶活性均得到改善，土壤肥力明顯提高［15 - 18 ］。許云翔等［19 ］的研究表明，在施用生物炭6 a后的稻田土壤中，有機(jī)碳、有效磷和速效鉀仍保持較高含量，土壤中各種酶活性也保持較高水平。可見(jiàn)生物炭不僅可以改善土壤肥力，且對(duì)土壤肥力的改善具有持久性。

1.2? ?增加土壤微生物多樣性， 改善土壤微生態(tài)環(huán)境

生物炭的多孔疏松結(jié)構(gòu)及高芳香烴結(jié)構(gòu)能給微生物提供良好的棲息微環(huán)境，土壤中施入生物炭后，作物根際土壤的細(xì)菌、真菌豐度發(fā)生明顯變化，微生物多樣性也有了較大改變［20 - 24 ］。顧美英等［25 ］的研究發(fā)現(xiàn)，在棉田用棉稈炭后，棉花根際土壤的微生物多樣性顯著提高，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變，并使連作棉田生態(tài)系統(tǒng)得到很好的恢復(fù)。韓光明［26 ］用玉米芯生物炭處理不同土壤類(lèi)型菠菜田，結(jié)果表明土壤有益細(xì)菌的數(shù)量和微生物的多樣性均有增加，促進(jìn)了菠菜生長(zhǎng)。馮慧琳等［27 ］將生物炭與綠肥一起翻壓于柑橘地，提高了土壤細(xì)菌群落的多樣性，改善了其群落結(jié)構(gòu)，使柑橘根際土壤微生態(tài)平衡得到改善。黃修梅等［28 ］研究發(fā)現(xiàn)生物炭處理降低了土壤真菌豐度，提高了馬鈴薯產(chǎn)量和商品薯數(shù)量。周麗靖等［29 ］在百合田施用生物炭后，引起百合枯萎病的鐮刀菌數(shù)量下降，降低了百合枯萎病的發(fā)病率，提高了百合產(chǎn)量。生物炭也可增加土壤中固氮菌的數(shù)量，增強(qiáng)土壤的固氮作用［30 ］。總之，生物炭可增加土壤微生物多樣性，改變微生物的群落結(jié)構(gòu)，改善作物根際土壤微生態(tài)環(huán)境，使其更有利于作物生長(zhǎng)發(fā)育。

1.3? ?修復(fù)被污染的土壤

重金屬（如汞、鎘、鉛、鉻、銅、鎳等）和有機(jī)污染物是農(nóng)田土壤的主要污染源。生物炭獨(dú)特的性質(zhì)能夠?qū)⒅亟饘匐x子通過(guò)離子交換和化學(xué)沉淀的方式吸附固定，降低其遷移造成的污染［31 - 32 ］。王昆艷等［33 ］在連作5 a三七的土壤中施用生物炭后，土壤中有效態(tài)鉛含量較對(duì)照降低了0.62 mg/kg；有學(xué)者在被銅污染的苧麻田施用生物炭后，發(fā)現(xiàn)土壤中有效態(tài)銅含量顯著低，植株中銅含量也顯著降低，苧麻植株的抗逆性增強(qiáng)［34 ］。在孔四新［35 ］的研究中，冬凌草田施用生物炭后，冬凌草吸收的鉛離子明顯下降，說(shuō)明土壤中可吸收的鉛含量降低了。生物炭對(duì)土壤中金屬離子的吸附效果因其種類(lèi)的不同而有差異。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈炭對(duì)土壤中二價(jià)鉛離子的吸附作用較麥稈炭和花生殼炭強(qiáng)［36 - 37 ］。

生物炭在修復(fù)治理被有機(jī)物（如酚類(lèi)、苯和甲苯等）污染的土壤方面也表現(xiàn)出良好的效果［38-39 ］。有學(xué)者2009年首先報(bào)道，施用生物炭可有效降低植物對(duì)農(nóng)藥的吸收［40 ］。Spokas等［41 ］的研究發(fā)現(xiàn)，生物炭可大量吸收土壤中的莠去津和乙草胺等2種除草劑，降低它們?cè)谕寥乐械臍埩粑廴荆瑴p輕除草劑對(duì)后茬作物造成的影響。隨著作物種植結(jié)構(gòu)及栽培模式的改變，農(nóng)用地膜使用量大面廣，土壤中增塑劑（鄰苯二甲酸二乙酯Diethyl Phthalate，簡(jiǎn)稱(chēng)DEP）成為又一生態(tài)污染源，其經(jīng)揮發(fā)、淋溶、降解及植物吸收等方式造成對(duì)大氣、水體及土壤的污染。Fang 等［42 ］的研究表明，生物炭產(chǎn)生的羥基可降解DEP，在一定程度上能減輕農(nóng)用地膜造成的生態(tài)污染。

1.4? ?緩解作物連作障礙

一種作物在同一塊土壤中連續(xù)種植會(huì)導(dǎo)致土傳病害加重，植物生長(zhǎng)發(fā)育不良，產(chǎn)量及品質(zhì)下降等，這種現(xiàn)象即連作障礙。導(dǎo)致連作障礙的原因主要是土壤中有害生物的逐年累積，影響其他有益微生物的繁殖，土壤中的微生物數(shù)量和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，使得土壤原有的生態(tài)平衡被打破，加之作物本身的自毒作用。連作障礙在多年生的作物或經(jīng)濟(jì)效益較高的區(qū)域特色作物如中藥材、蘭州百合等種植過(guò)程中較為突出。將生物炭施入連作土壤中，作物的連作障礙可以得到有效緩解。楊莉等［43 ］在連作人參地施用生物炭后，發(fā)現(xiàn)土壤養(yǎng)分及酶活性大幅提升，促進(jìn)了人參種苗生長(zhǎng)。汪瑞等［16 ］在連作白芨地施加生物炭后，結(jié)果表明白芨連作田土壤微生態(tài)得到有效改善，連作障礙得到緩解。周麗靖等［29 ］在蘭州百合栽培過(guò)程施用生物炭后，枯萎病的為害減輕，顯著提高了百合產(chǎn)量。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，生物炭能吸附土壤中化感物質(zhì)而減輕植物自毒作用，從而緩解作物連作障礙［9， 16 ］。可見(jiàn)在土壤中適量施用適宜的生物炭，是緩解作物連作障礙的有效措施之一。

2? ?小結(jié)與展望

生物炭作為一種優(yōu)良的緩釋材料，資源豐富，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中除了可用于改良修復(fù)土壤外，還可以用來(lái)作為載體來(lái)開(kāi)發(fā)緩釋性肥料，以減少肥料的施用次數(shù)；生物炭的施用還能提高土壤肥力，減少化學(xué)肥料的施入量，在化肥減量方面也有很好的應(yīng)用前景。生物炭可溶性組分中含有的多種萜類(lèi)化合物可在病害綠色防控方面發(fā)揮一定作用。有學(xué)者在室內(nèi)離體試驗(yàn)條件下，用萜類(lèi)和萜烯類(lèi)化合物對(duì)梨火疫病進(jìn)行防效評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)這類(lèi)化合物對(duì)梨火疫病具有較好的防治作用［44 ］。

生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮的良好效果有時(shí)要與其他肥料或土壤改良劑配合施用才得以彰顯。顧美英等［25 ］在連作棉田用棉稈生物炭與生物有機(jī)肥配合施用較單施棉稈炭更好地改善了棉花根際土壤微生態(tài)環(huán)境，有效緩解了棉花的連作障礙。Saha等［45 ］將生物炭與化肥聯(lián)合使用大幅提高了細(xì)葉沙參的產(chǎn)量和質(zhì)量。生物炭的正向效應(yīng)還與生物炭的特性和施用量、土壤性質(zhì)、植物種類(lèi)等因素有關(guān)。Chan等［46 ］的研究發(fā)現(xiàn)，在種植蘿卜的酸性土壤中生物炭與一定量氮肥聯(lián)合使用才能有效增加蘿卜產(chǎn)量。還有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，生物炭和化肥聯(lián)合使用在酸性土壤中種植的小麥、大豆和蘿卜的產(chǎn)量均有提高，而在堿性土壤中小麥和蘿卜的產(chǎn)量反而下降了，僅提高了大豆的產(chǎn)量［47 ］。

中國(guó)是一個(gè)人口大國(guó)，耕地面積有限，要保證糧食安全，只有通過(guò)農(nóng)業(yè)資源高效利用和耕地質(zhì)量改善提高糧食單產(chǎn)水平來(lái)增加糧食總量。有學(xué)者提出將農(nóng)業(yè)廢棄資源循環(huán)利用，通過(guò)農(nóng)業(yè)廢棄物炭化還田技術(shù)提高耕地質(zhì)量來(lái)增加糧食產(chǎn)? 量［48 ］。因此，在全球氣候變化和糧食短缺的大背景下，生物炭在實(shí)現(xiàn)固碳減排、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和保障國(guó)家糧食安全方面具有重要意義和非常廣闊的應(yīng)用前景。

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